專利名稱：基于多徑能量窗的碼分多址系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于CDMA(碼分多址)蜂窩通信系統(tǒng)領(lǐng)域。
目前，蜂窩移動通信領(lǐng)域正處于幾大制式共存、競爭、發(fā)展的時期，其中基于CDMA技術(shù)的移動通信制式尤以頻率規(guī)劃簡單、系統(tǒng)容量大、頻率復用系數(shù)高、抗多徑能力強、通信質(zhì)量好、軟容量等特點顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?，已成為下一代移動通信系統(tǒng)最具競爭力的核心重要技術(shù)。
CDMA蜂窩通信系統(tǒng)大多采用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)，發(fā)射端將窄帶的用戶信息通過與擴頻碼(PN碼)相乘運算，轉(zhuǎn)換成寬帶的擴頻信號，此過程稱為擴展頻譜。接收端將接收到的寬帶擴頻信號通過本地產(chǎn)生的同步擴頻碼進行相乘和積分運算，還原為所需的窄帶用戶信息，此過程稱為解擴運算。因而對于接收機，如何使得本地擴頻碼與接收信號相同步是完成解擴運算首先需要解決的問題。
移動通信信道中存在著嚴重的多徑衰落現(xiàn)象，會造成嚴重的多徑干擾。在CDMA蜂窩移動系統(tǒng)中，由于采用了擴展頻譜技術(shù)，其發(fā)送信號的帶寬一般遠大于用戶信息帶寬，從而具備了較強的多徑分辨能力，使得更為精細的多徑分辨成為可能。但所能分辨的多徑信號仍具有較大的隨機性，因而CDMA接收機必須具備較強的克服多徑衰落的能力。
為完成CDMA接收機本地擴頻碼的同步，需對接收信號進行初始同步和精細同步。該初始同步過程又稱作為PN碼捕獲過程，而精細同步過程又稱作為PN碼跟蹤過程。PN碼初始同步的任務是使得接收機本地產(chǎn)生的PN序列與接收信號的PN擴頻序列之間的相位差小于某一合適的門限δ。在PN碼初始同步過程完成后，由于本振頻率偏移、信道多徑衰落、多普勒頻移等因素會造成定時的滑動，因此還必須對接收信號進行實時跟蹤，以保證本地PN序列始終能與接收信號精確同步。
在CDMA蜂窩通信系統(tǒng)中，除了需要對當前小區(qū)的PN碼進行初始同步和跟蹤外，還需對鄰近小區(qū)進行搜索，以判斷移動終端是否需要進行越區(qū)切換或進行多基站到達信號的宏分集接收。對相鄰小區(qū)進行搜索的方法與小區(qū)初始同步方法基本類似，不同之處在于對鄰近小區(qū)的搜索僅需要在某一事先確知的局部區(qū)域內(nèi)進行，而無需對PN碼所有相位進行全局搜索。
CDMA系統(tǒng)對小區(qū)初始同步及鄰區(qū)搜索有一定的時間限制，應盡可能地縮短小區(qū)初始同步及鄰區(qū)搜索所需的時間。針對DS/CDMA系統(tǒng)的初始同步與小區(qū)搜索方法很多，從實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上可分為并行初始同步、串行初始同步和兼有并行結(jié)構(gòu)與串行結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)初始同步；從處理域上可分為時域初始同步、頻域初始同步；從解擴運算方法上可分為基于相關(guān)器的初始同步和基于匹配濾波器的初始同步；對于基于相關(guān)器的初始同步，又可分為固定相關(guān)長度檢測和可變相關(guān)長度的序貫檢測等。
傳統(tǒng)的初始同步與搜索方法往往針對某一單徑信號進行。而在多徑傳輸環(huán)境中，真正的接收信號往往包含了若干個不同傳播時延的多徑分量。由于衰落的影響，對某一單徑信號進行初始同步與搜索所得到的結(jié)果往往是不可靠的。本發(fā)明則基于以下一個簡單的事實盡管在多徑衰落環(huán)境下每一徑到達信號的幅度和相位是隨機變化的，但多徑信號的能量窗口及其重心位置是相對穩(wěn)定的。若根據(jù)多徑信號能量窗最大化確定本地PN碼的初始同步相位或鄰近小區(qū)PN碼相位，并根據(jù)多徑能量窗的重心變化對PN碼進行精細跟蹤，則由此所獲得的擴頻接收機能夠有效地克服上述對單徑信號進行處理所帶來的不確定性，從而提高相干擴頻接收機的穩(wěn)健性。
本發(fā)明的目的是針對移動通信環(huán)境下多徑衰落信號的不確定性，引入“多徑能量窗最大化”設(shè)計方法，對多徑能量窗進行并行處理，實現(xiàn)CDMA擴頻接收機的初始同步與鄰近小區(qū)搜索，從而使得CDMA擴頻接收機性能得到改善，同時減少所需的硬件資源。
本發(fā)明提出了基于多徑能量窗的CDMA系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索裝置。該裝置以多徑能量窗處理方法為基礎(chǔ)，利用多徑能量窗進行初始同步和相鄰小區(qū)搜索。提出了基于相關(guān)器組的并行實現(xiàn)方法，并描述了該方法在相干擴頻接收機中的應用。
以下詳細說明本發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明依據(jù)的基本原理1、多徑衰落信道參數(shù)估計CDMA系統(tǒng)中的導頻(Pilot)信道用于傳送事先確知的導頻序列，可用于系統(tǒng)定時和載波的提取、信道估計、越區(qū)切換等。若系統(tǒng)同時發(fā)射若干個信道的信號，則等效基帶接收信號可表示為 其中，si(t)表示下行信道所發(fā)送的第i個碼分信道的等效基帶信號，i=0的分項對應于導頻PN序列；z(t)是零均值的復數(shù)白色高斯噪聲；cn為信道第n徑的衰落因子。信道參數(shù)估計的目的在于根據(jù)接收信號r(t)和確知的導頻序列s0(t)估計出信道衰落因子cn。
假設(shè)移動信道為頻率選擇性慢衰落信道模型，則可認為在一個信道估計區(qū)間內(nèi)cn近似為常數(shù)。由此可得出cn的估計值如下 式中Na、Nc和Nz分別是擴頻碼的相關(guān)特性不夠理想造成的多徑干擾、多址干擾以及白噪聲通過相關(guān)器后產(chǎn)生的輸出；Tc為一個碼片的時間寬度，NTc為信道估計的積分區(qū)間；Ec是導頻信道在一個碼片之內(nèi)的發(fā)送能量。
在CDMA接收機的初始同步階段，由于無法確知接收信號的相位信息，常需要在分數(shù)間隔上對多徑衰落信道進行估計，且需要采用不同相位的本地導頻序列(PN碼)進行試探，這時公式2可演變?yōu)閏-n,m(k)=1NEc∫0NTcr(t-nTc-mTc/M)·s0*(t-kTc/M)dt,m=0,1,…M-1]]>[公式3]式中Tc/M為分數(shù)采樣間隔，k為某一可能的本地導頻PN序列相位參數(shù)。2、多徑能量窗及PN碼初始同步方法公式1中信道衰落因子cn的有效分布范圍定義為多徑信號能量分布窗口(簡稱為多徑能量窗)，該窗口的大小由多徑信道的時延擴展范圍確定。為方便以下的討論，設(shè)cn的有效分布范圍為N∈[-L1,L2]。在城市、鄉(xiāng)村和山區(qū)多徑衰落環(huán)境下，該窗口的大小分別約為3μS、6μS和15μS。窗口的大小與蜂窩通信系統(tǒng)所處的環(huán)境有關(guān)，而與所使用的頻段無關(guān)。為使擴頻接收機能夠適用于各種環(huán)境，多徑能量窗口的大小應按最大可能值選取，通常不大于30μS，則L=L2-L1+1的取值應不大于30μS/Tc。
在多徑能量窗口內(nèi)，并不是所有的信號到達徑均是有效的。為此應設(shè)定合適的門限，對窗口內(nèi)每一徑信號的能量(也即cn的強度)進行判決。若大于門限，則為有效到達信號徑；否則則為純干擾徑(IOP)。為避免性能惡化，所有的純干擾徑均不應參加運算。判決門限的選取應略大于導頻信號(PN碼)部分互相關(guān)(PartialCorrelation)值的旁瓣值。
為了提供足夠的初始同步精度，接收機使用過采樣技術(shù)對接收信號進行取樣，其采樣速率為PN碼碼片速率的M倍。設(shè)需要同步的導頻PN碼長度為P，則本發(fā)明所給出的PN碼初始同步方法需要從M×P個可能的PN碼相位中，選擇一個相位，使得多徑能量窗口中所包含的多徑能量最大化。
根據(jù)上述多徑能量窗的概念，定義本地導頻PN碼相位為k時的多徑能量窗如下 則基于多徑能重窗的初始同步萬法可以描述為，從所有可能的本地導頻PN碼相位k值中，選擇一個k值使得下式取最大值 對應于能量窗最大值的本地導頻PN相位即為最優(yōu)的PN碼相位kopt。
另一方面由公式3可得知，公式4所示的多徑能量窗計算存在以下滑動窗遞推關(guān)系 由此可在較大程度上簡化初始同步所需的計算。3、基于滑動能量窗的相鄰小區(qū)搜索方法相鄰小區(qū)搜索方法與上述PN碼初始同步方法相類似，不同之處在于公式中所采用的PN碼應為某一鄰近小區(qū)的導頻信號序列，所需要進行搜索的區(qū)間也應為由基站事先指定的區(qū)間，而非PN碼所有可能的相位。4、PN碼初始同步和小區(qū)搜索的確認方法在上述初始同步方案中，采用了單次門限判決法對初始同步的結(jié)果是否有效進行確認。在實際應用中，也可采用多次門限判決法進行初始同步確認，這時僅需要對k=kopt處的多徑能量窗進行多次計算。若每次結(jié)果均大于指定門限，則初始同步成功。這種情形下所需要的初始同步時間略為增加。另一種較為實用的初始同步確認方法是，在初始同步完成后檢驗其它數(shù)據(jù)信道接收情況是否正常，從而確定初始同步是否成功。
對相鄰小區(qū)搜索的結(jié)果是否有效進行確認的方法與上述PN碼初始同步的確認方法相同。
本發(fā)明有益效果1．提出的基于多徑能量窗初始同步方法針對多徑時延分布能量最大化進行，克服了傳統(tǒng)初始同步方法針對單徑進行處理所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，能夠更好地適用于多徑衰落信道環(huán)境下的蜂窩移動通信系統(tǒng)。
2．采用了滑動能量窗計算方法，使得其實現(xiàn)方便易行。
3．統(tǒng)一考慮了CDMA蜂窩接收機的初始同步與相鄰小區(qū)的搜索問題，通過時分復用的方式，可使系統(tǒng)實現(xiàn)所需的硬件復雜度降低到最大程度。
4．采用了并行實現(xiàn)方法，降低了接收機的初始同步及小區(qū)搜索所需的時間。


圖1為基于多徑能量窗的系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索實現(xiàn)框圖以下結(jié)合

實施例圖1示出了本發(fā)明所提出的PN碼初始同步與小區(qū)搜索裝置實現(xiàn)框圖，該裝置由抽頭延遲線、并行相關(guān)器、本小區(qū)PN碼發(fā)生單元、鄰小區(qū)PN碼發(fā)生單元、幅度判決單元、存儲緩沖單元、并串轉(zhuǎn)換單元、滑動能量窗計算單元、能量窗最大計算單元和初始同步確認單元共十個單元組成。各單元的功能描述如下●以Tc/M速率采樣的基帶信號r(t)送入抽頭延遲線，抽頭延遲線的長度S由初始同步及搜索所需要的最小時間所確定。抽頭延遲線的S個抽頭輸出送往S個并行相關(guān)器。
●S個并行相關(guān)器(相乘累加單元)完成公式3所示的信道估計積分運算，若為初始同步過程，則與本小區(qū)PN碼發(fā)生單元輸出的PN碼進行積分運算，若為小區(qū)搜索過程，則與鄰小區(qū)PN碼發(fā)生單元輸出的PN碼進行積分運算。每個相關(guān)器在一個積分周期NTc內(nèi)完成一徑信道估計運算，其結(jié)果送往后續(xù)的幅度判決單元后，相乘累加單元清零。
●幅度判決單元對由相關(guān)器所得到的信道估計幅度平方值進行門限判決，剔除純干擾徑后送入存儲緩沖單元，然后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換單元逐一送入滑動能量窗計算單元。
●滑動能量窗計算單元完成公式6所示的計算。對于每個積分間隔所得到的S個信道估計，可計算出S個滑動能量窗輸出值。
●能量窗最大計算單元比較滑動能量窗的每一輸出值，從中選取出最大值及其相應的本地導頻PN碼相位值。其結(jié)果送往初始同步確認(捕獲確認)單元。
●初始同步確認單元采用了單次門限判決法，若最大能量值大于某一設(shè)定的門限(該門限值視具體應用而確定，一般應大于輸入信號總能量的1/10)，則該次初始同步或搜索過程有效，對應于能量窗最大值的本地導頻PN相位即為最優(yōu)的PN碼相位kopt。否則本次初始同步或搜索過程失敗。也可采用多次門限判決法進行初始同步確認。
●把接收機本地導頻PN碼發(fā)生器的相位移至最優(yōu)PN碼相位kopt處，則初始同步或搜索過程宣告完成。
由于每個積分周期能夠得到S個多徑能量窗的估算，因此圖1中的本地或鄰近小區(qū)PN碼發(fā)生器，應在每一次積分完成后，向前或向后跳動S個相位。
以下對初始同步所需的時間進行計算。因本地導頻PN序列存在M×P個可能的PN碼相位，而上述方案中采用了S個并行計算單元，在Td=NTc的積分周期內(nèi)可完成S個相位的搜索，故初始同步所需時間為 由于鄰近小區(qū)搜索的原理與初始同步基本相同，因而可以時分復用的方式實現(xiàn)。在初始同步完成后，通過接收來自本基站的廣播信息，可獲知鄰近小區(qū)的導頻序列與本小區(qū)導頻序列的相位差以及需要搜索的范圍。用鄰近小區(qū)的導頻序列及搜索范圍，取代上述初始同步時所采用的本地導頻序列及全局搜索范圍，則可實現(xiàn)對鄰近小區(qū)的搜索。圖1示出了這種復用的實現(xiàn)方法。
類似地，相鄰小區(qū)搜索時間可計算如下 式中Psrch為鄰近小區(qū)待搜索的區(qū)間(以Tc為單位)。搜索完成后，所得到的多徑能量窗最大值應及時上報基站，以便確定是否需要進行越區(qū)切換或宏分集。
以下以cdma2000-1x系統(tǒng)移動終端為例，說明本發(fā)明的具體實施方法。cdma2000-1x系統(tǒng)的下行信道包含有連續(xù)發(fā)送的導頻信道，可用于移動終端接收機的定時提取、初始同步、小區(qū)搜索和相干解調(diào)等。在該系統(tǒng)中，擴頻碼片速率為1.2288Mcps，碼片間隔為Tc=1/1.2288微秒，導頻信道PN碼為N=215長度的偽隨機序列。
若接收機采用4倍碼片采樣率，即M=4，每一積分周期取為256Tc，且系統(tǒng)要求的最大初始同步時間為Tacq_max，則所需的并行相關(guān)計算單元數(shù)為S>|4×215×256TcTacq_max|+1]]>實際應用中，可取Tacq_max＜0.5秒，由此可計算出所需的并行計算單元數(shù)為S=64。
由于cdma2000-1x系統(tǒng)的擴頻碼片速率較低，可以采用時分復用的方式降低平行計算單元所需的硬件復雜度。在本實施例中，每個物理相關(guān)器復用32次，因而實際共需4個復數(shù)形式的相關(guān)器。干擾徑判決門限取為接收信號能量的1/32。最大多徑能量窗初始同步門限設(shè)定為接收信號能量的1/16。
本實施例已應用于自行研制的符合3GPP2 Release A標準的cdma2000-1x蜂窩移動通信車載移動臺樣機中。該樣機中的擴頻接收部分采用Xilinx公司的XC4085×1a FPGA芯片加以實現(xiàn)。經(jīng)過實際測試，利用本發(fā)明所設(shè)計的擴頻接收機在車載移動多徑衰落環(huán)境下，能夠較為穩(wěn)定可靠地工作。
權(quán)利要求
1．基于多徑信道能量窗的碼分多址系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索裝置，其特征在于該裝置由抽頭延遲線、并行相關(guān)器、本小區(qū)PN碼發(fā)生單元、鄰小區(qū)PN碼發(fā)生單元、幅度判決單元、存儲緩沖單元、并串轉(zhuǎn)換單元、滑動能量窗計算單元、能量窗最大計算單元和初始同步確認單元共十個單元組成。
2．如權(quán)利要求1所述的基于多徑能量窗的碼分多址系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索裝置，其特征在于1)該裝置以Tc/M速率采樣的基帶信號r(t)送入抽頭延遲線，抽頭延遲線的長度S由初始同步及搜索所需要的最小時間所確定。抽頭延遲線的S個抽頭輸出送往S個并行相關(guān)器2)S個并行相關(guān)器(相乘累加單元)完成公式3所示的信道估計積分運算。每個相關(guān)器在一個積分周期NTc內(nèi)完成一徑信道估計運算，其結(jié)果送往后續(xù)的幅度判決單元后，相乘累加單元清零。3)幅度判決單元對由相關(guān)器所得到的信道估計幅度平方值進行門限判決，剔除純干擾徑后送入存儲緩沖單元，然后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換單元逐一送入滑動能量窗計算單元。4)滑動能量窗計算單元完成公式6所示的計算。對于每個積分間隔所得到的S個信道估計，可計算出S個滑動能量窗輸出值。5)能量窗最大計算單元比較滑動能量窗的每一輸出值，從中選取出最大值及其相應的本地導頻PN碼相位值。其結(jié)果送往初始同步確認單元。6)初始同步確認單元采用了單次門限判決法，若最大能量值大于某一設(shè)定的門限(該門限值視具體應用而確定，一般應大于輸入信號總能量的1/10)，則該次初始同步或搜索過程有效，對應于能量窗最大值的本地導頻PN相位即為最優(yōu)的PN碼相位kopt。否則本次初始同步或搜索過程失敗。也可采用多次門限判決法進行初始同步確認。7)把接收機本地導頻PN碼發(fā)生器的相位移至最優(yōu)PN碼相位kopt處，則初始同步或搜索過程宣告完成。
3．如權(quán)利要求2所述的基于多徑能量窗的碼分多址系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索裝置，其特征在于采用了單次門限判決法，對初始同步的結(jié)果是否有效進行確認。在實際應用中，也可采用多次門限判決法進行初始同步確認，這時僅需要對k=kopt處的多徑能量窗進行多次計算。若每次結(jié)果均大于指定門限，則初始同步成功。對相鄰小區(qū)搜索的結(jié)果是否有效進行確認的方法與上述PN碼初始同步的確認方法相同。
4．如權(quán)利要求2所述的基于多徑能量窗的碼分多址系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索裝置，其特征在于鄰近小區(qū)搜索的原理與初始同步基本相同，因而可以時分復用的方式實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提出了基于多徑能量窗的CDMA系統(tǒng)初始同步與小區(qū)搜索裝置。該裝置以多徑能量窗處理方法為基礎(chǔ),利用多徑能量窗進行初始同步和相鄰小區(qū)搜索。提出了基于相關(guān)器組的并行實現(xiàn)方法,并描述了該方法在相干擴頻接收機中的應用。
文檔編號H04B1/707GK1318921SQ0012822
公開日2001年10月24日 申請日期2000年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月18日
發(fā)明者尤肖虎, 郭經(jīng)紅, 蔣良成, 趙春明, 程時昕 申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所, 東南大學